[发明专利]变速变桨风力发电机组功率曲线优化方法

说明书

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，涉及变速变桨风力发电机组功率曲线优化方法。

背景技术

风能是目前最具有经济价值的可再生能源，根据中国国家发改委能源研究所发布《中国风电发展路线图2050》，中国风电未来40年的发展目标：到2020年、2030年和2050年，风电装机容量将分别达到2亿、4亿和10亿千瓦，到2050年，风电将满足17%的国内电力需求。

目前，风力发电已经逐步大规模广泛商业化应用，而变速变桨风力发电机组已经成为大规模风力发电的主要设备。

根据确定风场的风资源情况，在确定的风速威布尔分布参数                                                后，可以通过优化变速变桨风力发电机组切入风速、额定风速和切出风速，优化平均功率，得到尽可能多的总发电量。

在不同风资源条件下，由于风频分布的不同、空气密度不同以及湍流强度不同即使同种型号的风力发电机组若采用相同的功率曲线年发电量也有可能存在较大的差异。

中国幅员辽阔，各地区间风资源条件可能有明显的差异，各地区间并网电价也可能并不相同。

通过调整变速变桨风力发电机组切入风速、额定风速、切出风速、启动转速、额定转速等相关控制参数可以实现变速变桨风力发电机组功率曲线调节。

发明内容

本发明提出一种针对风资源特性的变速变桨风力发电机组功率曲线优化设计方法。

本发明的技术方案是变速变桨风力发电机组功率曲线优化方法，其特征是该方法包括以下步骤：

步骤1：获取风力发电机组相关机械参数及叶片翼型参数； 

步骤2：绘制风力发电机组坎贝尔图，依据坎贝尔图确定变速变桨风力发电机组的安全转速范围；

步骤3：在安全转速范围内，依据发电机最大调速比，求取切入转速范围，额定转速范围，设迭代计数器，功率曲线寻优精度；

步骤4：令切入转速，则在此切入对应的额定转速为，根据风机在低于额定风速工作时叶片保持最小桨距角?所对应的风轮最佳叶尖速比，依据计算对应的最大功率追踪最低风速和最大功率追踪最高风速；

步骤5：通过额定转速求取额定风速，通过切入转速确定风力发电机组切入风速，通过额定转速求取切出风速；

步骤6：通过风力发电机组的切入转速，额定转速，切入风速，最大功率追踪最低风速，最大功率追踪最高风速，额定风速，切出风速，考虑机械传动系统效率和电气系统转化效率计算求取风力发电机组功率曲线；

步骤7：依据功率曲线结合风资源区域风频分布模型估算风力发电机组在该风资源区域的容量系数；

步骤8：记录切入转速对应的功率曲线以及理论估算发电量，若，则，返回步骤4，否则结束循环；

步骤9：结束枚举计算，选取容量系数最大的功率曲线作为最优功率曲线。

步骤1中，风力发电系统机械参数包括传动系统一阶扭振固有频率、叶片一阶摆振固有频率、叶片一阶舞振固有频率和塔架一阶纵弯固有频率。

步骤1中，风力发电系统叶片翼型参数包括，叶片长度、轮毂半径、叶片各叶素展向位置、翼型厚度比、后缘厚度、弦长、扭角和翼型，以及各种翼型在不同攻角对应的升力系数、阻力系数和俯仰力矩系数等，确保通过相关叶片翼型参数可以计算风机在不同工况情况下的各种载荷。

步骤2中，坎贝尔图主要是依据传动系统一阶扭振固有频率，叶片一阶摆振固有频率，叶片一阶舞振固有频率、塔架一阶纵弯固有频率四条横线与转频（1n）、叶片通过频率（3n）、叶片通过频率二次谐波（6n）、叶片通过频率三次谐波（9n）四条斜线的交点，确定风力发电机组工作转速不会引起机械系统共振的安全转速范围，其中n表示风轮旋转频率，坎贝尔示意图如图2所示。

步骤3中，发电机调速比是指风力发电机的额定转速与切入转速的比值。

步骤3中，目前变速变桨风力发电系统采用的大功率发电机调速比一般都小于风力发电机组额定风速与切入风速的比值，故目前变速变桨风力发电机组在低于额定风速以下不可能全风速范围进行最大功率追踪。

步骤4中，依据步骤1中获取的空气动力学数据可以计算低于额定风速工作时叶片保持最小桨距角?所对应的风轮最佳叶尖速比，则此时对应的最大功率追踪最低风速，最大功率追踪最高风速，表示风轮半径。

步骤5中，额定风速?的求解方法可以采用求解非线性方程求得，该方程可以表述为下式：

 

表示时风力发电系统机械传动环节能量转化效率；